3月10日，美国地质勘探局水文测量师安迪·沃森测量从格维尔大桥排入俄罗斯河的污水。整个晚上的大雨给北湾地区带来了洪水。
Brian Feulner/纪事报特稿风暴的更新：由于大气河流驱动的风袭击湾区，SFO看到重大延误登录必赢亚洲
持续的今冬倾盆大雨在加州引发了毁灭性的洪水，从圣克鲁斯山脉到克恩河谷上涨的水位通常会迅速引发整个社区的淹没迅速疏散和水上救援．
科学家们说，监测和预测洪水的科学很棘手。这个过程的每一步都有不确定性，从地面测量到复杂的计算机模型。
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“这不是一件容易的事情，”国家气象局加州内华达河预报中心的水文学家Pete Fickenscher说。
尽管困难重重，但这项工作对人们的生活产生了至关重要的影响，特别是在人类引起的气候变化使风暴更加猛烈，洪水更加极端的情况下。科学家们正在努力开发新的方法，有可能实时查明洪水的影响，精确到一个特定的家庭地址。
“我们的想法是，我们已经到了可以做得更好的地步，”加州大学欧文分校(UC Irvine)研究洪水风险的土木与环境工程教授布雷特·桑德斯(Brett Sanders)说。
天空中发生了什么
虽然洪水预报显示了未来几天河流流量和洪水水平的变化，但它们实际上是从天气模型开始的。这些数学方程式可以预测风暴的温度和降雨地点。模型还可以预测海拔高度降水由雨转为雪．这些因素共同决定了洪水的严重程度。
菲肯舍说:“风暴越热，雨水越多，洪水就越可能发生。”
但天气往往不像预期的那样。
美国地质勘探局水文测量师安迪·沃森放下了一个设备，该设备从格维尔维尔的格维尔维尔桥上向俄罗斯河进行流量测量。
Brian Feulner/纪事报特稿桑德斯说:“即使在几天的时间尺度内，很多事情也会因为大自然母亲的不确定性而发生变化。”
天气预报员使用混合的天气模型——比如美国、欧洲和加拿大科学家的模型——每个模型都有独特的趋势和差异，增加了额外的不确定性。然后，这些预测被输入到更多的计算中，比如一个雪模型，它预测了分水岭上的降水将如何下降。
菲肯舍说:“如果下雪，我们就会堆积积雪。”“如果下雨，我们会把水送到土壤里。”
另一个模型跟踪土壤湿度，以及前几个月累积的水量。
菲肯舍说:“随着水的饱和程度越来越高，径流也越来越多。”
总的来说，这些计算可以预测有多少水流入河流和小溪。但是预测径流是否会引发洪水需要更多的数据。
“每条河流都有点不同，”菲肯舍说。
河上的测量
风暴的累积影响不断累积。根据美国气候变化研究中心的数据，今年冬天是加州过去128年来有记录以来最潮湿的第11个冬天国家环境信息中心bwin登入．
当雨滴落下时，它们流过积水的土壤，流入河流和小溪，那里的水位会迅速上升。
科罗拉多州立大学(Colorado State University)水文和气候科学家弗朗西丝·达文波特(Frances Davenport)说:“所有这些都为特定风暴事件的到来做好了准备。”“如果一开始就更潮湿，那就会整体提高洪水的风险。”
“流量表”测量河流的水位或“水位”。技术人员使用一种专门的仪器来传输声波，将高度与水流量联系起来。
美国地质调查局Ukiah办公室的实地办公室主任安迪·沃森说:“它向水柱发送声音脉冲，并被水中悬浮的颗粒反射。”
3月11日，蒙特雷县被洪水淹没的帕加罗市中心。
LiPo Ching/ The Chronicle特刊音调频率的变化揭示了水流的速度。技术人员在河流和溪流处于不同高度时进行这些流量测量，使他们能够计算水位和流量之间的关系，这对洪水预报很重要。
“最终产品基本上是一张桌子，你可以看着它说，‘哦，一个5英尺高的测量表?应该是每秒1000立方英尺。’”沃森说。
3月11日午夜过后，沃森维尔的帕加罗河的流量达到了每秒11800立方英尺的峰值——大约相当于一个奥林匹克标准游泳池每7.5秒循环一次的流量。
暴雨期间，河流水位和流量会发生巨大变化，尤其是在较小的流域，它们无法像大流域那样迅速吸收那么多雨水。
“较小的盆地会迅速上升，然后迅速下降，”沃森说。
大流量还会导致带有沙质河床的河流发生移动，从而使测量高度和流量之间的计算无法进行。
“一场大洪水可以完全改变河道的几何形状，”沃森说。“今年我们确实注意到在我们的网站上出现了很多这样的情况。”
所有这些数据对美国国家气象局的河流预报至关重要，也指导其他组织的决策，比如哪些地方的道路应该封闭，以及是否需要疏散人口。
下一代洪水预报
天气模型、雪模型、土壤湿度模型和河流测量都包含不确定性。这还不算考虑rain-on-snow事件还有大坝泄洪，这也是洪水预报的一个因素。
达文波特说:“在任何给定的时间里，计算出积雪中有多少水是一个相当大的挑战。”“这就是为什么预测很难的部分原因。”
但一些科学家表示，洪水预报应该包括更多的数据，以提供更细粒度的细节。目前，美国国家气象局(National Weather Service)的预报只显示了河流在特定地点会上涨多少，而没有显示附近的城镇或社区会受到多大影响。
密歇根大学(University of Michigan)土木与环境工程教授瓦列里·伊万诺夫(Valeriy Ivanov)说，“在某种程度上，预测的水平需要提升到对一栋建筑的评估水平。”
美国地质勘探局水文测量员部署了一个在俄罗斯河进行流量测量的设备。
Brian Feulner/纪事报特稿科学家们正在开发能放大这么远的洪水淹没地图。直到最近，处理这些数字所需的计算能力都是一个不可逾越的障碍。但是，在2021年多机构研究在伊万诺夫的带领下，研究人员描述了一种将问题分解成更小、更简单的方法。
伊万诺夫说:“你不用一个复杂模型的解决方案，而是用很多很多非常简单的(模型)来替代它。”
伊万诺夫解释说，这就像把一个代表联合广场的模型分解成多个更简单的模拟各个街角的模型。至关重要的是，这些简单的模型可以在风暴到来之前运行，以加快洪水预报。
“我们的想法是，你可以提前运行大量的模拟，并将它们全部保存在一个目录中，”桑德斯说，他也参与了这项研究。
在2021年的研究中，科学家们成功地使用这种方法，利用2017年飓风哈维的数据，模拟了为休斯顿制作详细洪水预报的过程。虽然传统技术需要数年的计算才能提供如此细粒度的信息，但新方法可以绘制地图bwin登入秒，突出了可能被淹没的住宅街区，并确定了可以作为疏散路线的道路。
作者写道，对未来的洪水事件调整这一框架可以为应急响应工作提供信息，并有助于挽救生命。bwin登入
不过，为一个新地点实施这样的框架是一项重大任务，需要大量关于城市景观的数据，以及运行数千个模型模拟所需的高性能计算机。
桑德斯领导多机构研究他们用这种方法调查了洛杉矶，发现洪水风险被大大低估了。
桑德斯说:“我们的研究表明，遭受百年一遇洪水影响的人数是(联邦紧急事务管理局)地图显示的10倍多。”
研究作者还发现，有色人种和弱势群体受到洪水影响的风险更高。类似的模式出现在帕加罗外的堤坝决口，主要是一个拉丁农场工人社区，在那里维修老化的基础设施是美国陆军工兵部队的次要任务。
“现实地说，这(重建)帕加罗地区洪水管理局执行主任马克·斯特拉德利说。“我们不应该走到现在这个地步。”
编年史特约撰稿人丹妮尔·埃切维里亚对这篇报道也有贡献。
联系杰克·李:jack.lee@sfchronicle.com
